Atomski satovi: točno vrijeme - ključ napretka

Atomski satovi su najprecizniji instrumenti za mjerenje vremena koji danas postoje i postaju sve važniji s razvojem i sofisticiranošću modernih tehnologija.

Načelo djelovanja

Atomski satovi ne računaju točno vrijeme zbog radioaktivnog raspada, kao što im ime govori, nego pomoću vibracija jezgre i elektrona koji ih okružuju. Njihova frekvencija određena je masom jezgre, gravitacijom i elektrostatičkom "ravnotežom" između pozitivno nabijene jezgre i elektrona. To nije u potpunosti u skladu s uobičajenim satom. Atomski satovi su pouzdaniji čuvari vremena, jer se njihove fluktuacije ne mijenjaju ovisno o okolišnim čimbenicima kao što su vlaga, temperatura ili tlak.

Evolucija atomskog sata

Mnogo godina znanstvenici su shvatili da atomi imaju rezonantne frekvencije povezane sa sposobnošću da apsorbiraju i emitiraju elektromagnetsko zračenje. Tijekom 1930-ih i 1940-ih razvijena je oprema za visokofrekventne komunikacije i radarske sustave, koja je mogla djelovati na rezonantne frekvencije atoma i molekula. To je pridonijelo ideji sata.

Prve kopije 1949. godine izgradio je Nacionalni institut za standarde i tehnologiju (NIST). Amonijak je korišten kao izvor vibracija. Međutim, oni nisu bili mnogo točniji od postojećeg vremenskog standarda, au sljedećoj generaciji korišten je cezij.

Novi standard

Promjena u točnosti mjerenja vremena pokazala se tako velikom da je 1967. godine Generalna konferencija o mjerama i težinama definirala drugi SI kao 9,192,631,770 oscilacija atoma cezija na svojoj rezonantnoj frekvenciji. To je značilo da vrijeme više nije povezano s kretanjem Zemlje. Najstabilnije atomske satove na svijetu nastale su 1968. godine i korištene su kao dio referentnog sustava NIST-a do 1990-ih.

Automobilska poboljšanja

Jedan od najnovijih dostignuća u ovom području je lasersko hlađenje. To je poboljšalo omjer signala i šuma i smanjilo nesigurnost u signalu takta. Kako bi se smjestio ovaj sustav hlađenja i ostala oprema koja se koristi za poboljšanje cezijskih satova, potreban je prostor veličine željezničkog vagona, iako komercijalne mogućnosti mogu stati u kovčeg. Jedna takva laboratorijska postavka broji vrijeme u Boulderu, Colorado, i najtočniji je sat na Zemlji. Oni se pogrešno shvaćaju samo za 2 nanosekunde dnevno ili za 1 s u 1,4 milijuna godina.

Sofisticirana tehnologija

Takva ogromna točnost rezultat je složenog procesa. Prije svega, tekući cezij se stavlja u peć i zagrijava dok se ne pretvori u plin. Atomi metala na velikoj brzini izlaze kroz malu rupu u peći. Elektromagneti ih razdvajaju u odvojene grede s različitim energijama. Potrebna zraka prolazi kroz rupu u obliku slova U, a atomi su izloženi mikrovalnoj energiji na frekvenciji od 9.192.631.770 Hz. Zbog toga su uzbuđeni i prelaze u drugo energetsko stanje. Tada magnetsko polje filtrira druga stanja atomske energije.

Detektor odgovara na cezij i pokazuje maksimum na ispravnoj frekvenciji. To je potrebno za postavljanje kvarcnog oscilatora koji kontrolira mehanizam mjerenja vremena. Dijeljenje njegove frekvencije za 9.192.631.770 i daje jedan impuls u sekundi.

Ne samo cezij

Iako najčešći atomski satovi koriste svojstva cezija, postoje i drugi tipovi takvih satova. Razlikuju se po elementu koji se koristi i načinu određivanja promjene. energetskoj razini. Ostali materijali su vodik i rubidij. Atomski satovi na vodiku funkcioniraju kao cezij, ali zahtijevaju spremnik sa zidovima od posebnog materijala koji sprječava da atomi prebrzo gube energiju. Rubidijski satovi su najjednostavniji i kompaktniji. U njima, staklena ćelija napunjena rubidijevim plinom mijenja apsorpciju svjetlosti kada je izložena ultra visokim frekvencijama.

Kome je potrebno točno vrijeme?

Danas se vrijeme može računati s velikom preciznošću, ali zašto je to važno? To je potrebno u sustavima kao što su mobilni telefoni, internet, GPS, zrakoplovni programi i digitalna televizija. Na prvi pogled, to nije očito.

Primjer kako se koristi točno vrijeme je sinkronizacija paketa. Tisuće telefonskih poziva prolazi kroz srednju liniju. To je moguće samo zato što se razgovor ne prenosi u potpunosti. Telekomunikacijska tvrtka je dijeli na male pakete i čak preskače neke informacije. Zatim prolaze liniju zajedno s paketima drugih razgovora i na drugom kraju se vraćaju bez miješanja. Sustav takta telefonske centrale može odrediti koji paketi pripadaju određenom pozivu, prema točnom vremenu slanja informacija.

GPS

Druga implementacija točnog vremena je globalni sustav pozicioniranja. Sastoji se od 24 satelita koji prenose svoje koordinate i vrijeme. Svaki se GPS prijemnik može povezati s njima i usporediti vrijeme emitiranja. Razlika omogućuje korisniku da odredi njihovu lokaciju. Ako ovaj sat nije bio vrlo precizan, tada bi GPS sustav bio nepraktičan i nepouzdan.

Granica savršenstva

S razvojem tehnologije i atomskih satova, netočnosti Svemira postale su vidljive. Zemlja se pomiče neravnomjerno, što dovodi do slučajnih varijacija u duljini godina i dana. U prošlosti, te bi promjene išle nezapažene, jer su alati za mjerenje vremena bili previše neprecizni. Međutim, na veliko razočaranje istraživača i znanstvenika, vrijeme atomskog sata mora se prilagoditi kako bi se nadoknadile anomalije stvarnog svijeta. Oni su nevjerojatni alati koji pridonose napretku moderne tehnologije, ali njihovo savršenstvo je ograničeno granicama koje postavlja sama priroda.